华北日军在平汉、津浦线方面作战比较顺利，但在晋北地区则陷入苦战。日本大本营指示华北方面军迅速完成平汉、津浦线作战任务，并夺取太原。因此方面军命令第1军和第2军迅速进入德州和安阳一线，并于10月19日命令第20师团攻占娘子关，进入阳泉，为尔后进攻太原作准备。
10月20日，第20师团师团长川岸文三郎下达命令：师团决定分两个纵队向阳泉发动进攻。第39旅团为右纵队，继续由娘子关正面攻击守军；第40旅团为左纵队，从右纵队正面之敌背后，进入井陉附近集结。师团部设于井陉。全师团于21日行动。
21日，第20师团右纵队对娘子关守军正面继续发动攻击。为挽回战局、歼灭入侵日军，孙连仲于15时下令向当面日军袭击：第3军袭击旧关东南高地之敌并占领之；第31师袭击旧关及西面高地之敌并占领之；第27师除袭击1000高地附近之敌外，须与大、小龙窝友军取得联络，并占领核桃园；第30师袭击北峪、东西葛丹之敌并占领之。战斗竟夜无大进展。
22日晨，日军陆空军协同向第27师阵地及第30师阵地猛攻。第30师出击的第178团被日军包围。第30师力战后将日军击溃，178团撤回原阵地。第27师第79旅及新编第10团伤亡六百余人，该旅旅长黄樵松遂令各团余部撤守地都附近阵地。
当日15时，黄绍竑令第26路军即日缩短战线，占领绵山顶及苇泽关一带阵地，阻敌西进。孙连仲奉令于20时开始向神仙洞、绵山顶、苇泽关、宋家岩之线变换阵地，并于22时致电阎锡山告之：第2集团军自房山、琉璃河起，累经激战，从未休补；西移娘子关后连战十余日，伤亡甚重，所余兵力不足六千人，阵地绵延50余里，兵力甚感单薄，若任何一点被敌突破，即无法应付，请速调生力军增援。
这时，川军第22集团军邓锡侯部刚到太原，阎锡山即令该部第41军军长孙震率部，由正太路输送至阳泉，归黄绍竑指挥。
日军右纵队继续攻击娘子关正面守军阵地时，其左纵队于21日由橫口车站南下，